第1章 概述1
1.1實時工業以太網概述1
1.2EtherCAT協議概述3
第2章 EtherCAT協議6
2.1EtherCAT繫統組成6
2.1.1EtherCAT主站組成6
2.1.2EtherCAT從站組成7
2.1.3EtherCAT物理拓撲結構9
2.2EtherCAT數據幀結構9
2.3EtherCAT報文尋址和通信服務11
2.3.1EtherCAT網段尋址12
2.3.2設備尋址13
2.3.3邏輯尋址和FMMU15
2.3.4通信服務和WKC17
2.4分布時鐘18
2.4.1分布時鐘描述18
2.4.2傳輸延時和時鐘初始偏移量測量20
2.4.3時鐘同步21
2.5通信模式23
2.5.1周期性過程數據通信23
2.5.1.1從站設備同步運行模式23
2.5.1.2主站設備同步運行模式25
2.5.2非周期性郵箱數據通信26
2.6狀態機和通信初始化28
2.7應用層協議30
第3章 EtherCAT從站控制芯片32
3.1ESC概述33
3.1.1ESC芯片種類33
3.1.2ESC存儲空間34
3.1.3ESC特征信息40
3.2ESC芯片ET110041
3.2.1ET1100引腳定義41
3.2.2物理通信端口47
3.2.2.1MII接口47
3.2.2.2EBUS/LVDS接口50
3.2.3PDI接口51
3.2.3.1數字量I/O接口52
3.2.3.2SPI從站接口55
3.2.3.3並行微處理器總線接口56
3.2.3.4物理通信端口引腳和PDI引腳的配置59
3.2.4配置引腳59
3.2.5其它引腳61
3.2.5.1復位引腳62
3.2.5.2ET1100供電引腳62
3.3ESC數據鏈路控制63
3.3.1ESC數據幀處理63
3.3.2ESC通信端口控制65
3.3.3數據鏈路錯誤檢測68
3.3.4ESC數據鏈路地址69
3.3.5邏輯尋址控制70
3.4ESC應用層控制71
3.4.1狀態機控制和狀態71
3.4.2中斷控制74
3.4.3看門狗控制76
3.5存儲同步管理77
3.5.1存儲同步管理器概述77
3.5.2緩存類型數據交換80
3.5.3郵箱數據通信機制81
3.6從站信息接口84
3.6.1EEPROM內容85
3.6.2EEPROM訪問控制86
3.6.3EEPROM操作錯誤處理89
3.7分布時鐘操作90
3.7.1分布式時鐘信號90
3.7.1.1同步信號90
3.7.1.2同步鎖存功能94
3.7.2分布時鐘的初始化96
3.7.3同步信號的配置100
第4章 EtherCAT硬件設計 101
4.1EtherCAT從站PHY器件選擇101
4.2微處理器操作的EtherCAT從站硬件設計實例102
4.2.1ET1100的接線103
4.2.2ET1100配置電路105
4.2.3MII接線106
4.2.4微處理器接口引腳接線108
4.3直接IO控制EtherCAT從站硬件設計實例110
第5章 EtherCAT伺服驅動器控制應用協議112
5.1CoE（CANopen over EtherCAT）112
5.1.1CoE對像字典113
5.1.2周期性過程數據通信115
5.1.3CoE非周期性數據通信116
5.1.3.1SDO服務117
5.1.3.2緊急事件125
5.1.4應用層行規127
5.1.4.1CiA 402行規通用數據對像字典128
5.1.4.2功率驅動控制狀態機129
5.1.4.3運行模式132
5.2SoE（SERCOS over EtherCAT）136
5.2.1SoE狀態機136
5.2.2IDN繼承137
5.2.3SoE過程數據映射138
5.2.4SoE服務通道143
第6章 EtherCAT主站驅動程序149
6.1數據定義頭文件150
6.2網卡操作相關類的定義和實現156
6.2.1基於NDIS的網卡驅動程序157
6.2.2CEcNpfDevice類159
6.2.3CNpfInfo類161
6.2.4獲得計算機網卡信息162
6.2.5打開網卡164
6.2.6發送數據幀167
6.2.7接收數據幀168
6.2.8關閉網卡171
6.3從站設備對像定義和實現173
6.3.1CEcSimSlave類的定義173
6.3.2CEcSimSlave類的實現174
6.4主站設備對像定義和實現177
6.4.1CEcSimMaster類的定義177
6.4.2初始化和啟動CEcSimMaster數據對像179
6.4.3配置從站設備對像180
6.4.4狀態機運行183
6.4.5發送非周期性EtherCAT數據報文186
6.4.6發送周期性EtherCAT數據幀187
6.4.7接收EtherCAT數據幀193
6.5主站實例程序196
6.5.1主站實例程序配置流程197
6.5.2周期性運行控制200
第7章 從站驅動程序202
7.1從站驅動程序頭文件ec_def.h202
7.2從站基本操作210
7.3從站驅動程序總體結構212
7.4從站周期性數據處理216
7.4.1同步運行模式216
7.4.2自由運行模式218
7.5從站非周期性事件處理219
7.6從站狀態機處理220
7.6.1狀態機處理流程221
7.6.2檢查SM通道設置225
7.6.3啟動郵箱數據通信230
7.6.4啟動周期性輸入數據通信231
7.6.5啟動周期性輸出數據通信234
7.6.6停止EtherCAT數據通信234
參考文獻 236

現場總線在連接數字伺服、傳感器以及PLC-IO等設備的控制繫統中已經獲得廣泛應用，實時工業以太網（RTE，Real Time Ethernet）是當前現場總線技術的一個重要發展方向。目前，國際上有多種實時工業以太網協議，國際電工委員會IEC（International Electro Technical Commission）制定了兩個與實時工業以太網相關的標準：
(1)IEC61158[1]-[6]：工業通信網絡——現場總線規範（Industrial communication networks - Fieldbus specifications）；
(2)IEC61784[7]：工業通信網絡——行規規範（Industrial communication networks – Profiles）。
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）[8][9]是一種基於以太網的實時工業現場總線通信協議和國際標準。它具有高速和高數據有效率的特點，支持多種物理拓撲結構。從站使用專用的從站控制芯片，主站使用標準的以太網通信控制器。
EtherCAT由德國BECKHOFF自動化公司於2003年提出，2007年12月成為國際標準，是IEC61158和IEC61784中定義的第十二種通信協議標準。
雖然國際標準的頒布已有一段時間，國外采用EtherCAT技術的自動化設備已經開始進入國內，但國內對EtherCAT產品與技術的開發和應用尚處於起步階段。為了支持EtherCAT技術在國內的應用與發展，有必要對其繫統原理、協議內容、特別是軟硬件設計方法，進行繫統全面的介紹。
本書的章節安排如下：
第1章為EtherCAT概述，簡要介紹實時工業以太網的現狀和EtherCAT繫統組成原理。
第2章介紹EtherCAT協議，主要內容包括：繫統組成、數據幀結構、報文尋址、通信服務、分布式時鐘、通信模式、EtherCAT接口初始化、以及應用層協議等。
第3章介紹實現EtherCAT數據鏈路層協議的專用集成電路芯片及其基本功能，著重介紹了BECKHOFF公司的ET1100[10][11]芯片。
第4章介紹EtherCAT硬件設計，給出了使用ET1100實現的微處理器操作的EtherCAT從站和直接IO控制EtherCAT從站硬件的設計實例。
第5章介紹了EtherCAT用於伺服驅動器控制應用協議，包括CoE和SoE兩種協議形式，著重介紹周期性過程數據通信和非周期性數據通信的報文格式。
第6章介紹Windows XP操作繫統下EtherCAT主站驅動程序設計，著重介紹繫統初始化和周期性數據傳輸的C 程序實現，給出了關鍵的程序流程圖和主要程序源代碼。
第7章介紹基於微處理器的EtherCAT從站驅動程序設計，除了給出基本的程序框架以外，著重介紹EtherCAT接口初始化和周期性數據處理的程序實現方法。
本書第2章、第3章和第5章的內容是對國際標準IEC61158、IEC61800和德國BECKHOFF自動化有限公司的ET1100芯片手冊等眾多文獻的整理與彙編。根據作者的理解，添加了一些圖、表，使說明更清晰準確。此外，作者還對一些參考文獻中不完全的性能數據進行分析和測定，對一些說明、術語作了翻譯和一致性處理，並設計了本書的章節順序。本書介紹的硬件設計實例和驅動程序示例以作者的開發經驗為基礎，並基於作者的理論知識和多年的開發經驗，對部分原理圖和程序源代碼作了必要的組織和整理。本書可作為工業自動化和計算機控制專業類研究生教材或教學參考書，亦可作為EtherCAT協議開發技術人員的工具書。
在本書的撰寫過程中，力求體繫合理，概念準確，文理清楚，用詞規範。但由於作者水平所限，對於書中疏漏及不妥之處，歡迎廣大讀者予以批評指正。